第四章 泵的汽蚀

2、材料破坏
汽蚀发生时，由于机械剥蚀与化学腐蚀的共同作用，致使材料受 到破坏（下图）。
汽蚀危害

3、性能下降
汽蚀发展严重时，大量汽泡的存在会堵塞流道的截面， 减少流体从叶轮获得的能量，导致扬程下降，效率也相 应降低。 泵的性能曲线有明显的变化。这种变化，对于不同比转 数的泵情况不同。

ns=70
[ Hs ]' [ Hs ] 10.33 H abm 0.24 Hv
v [H g ] [H s ] hw 2g
'
2 s
其中Hamb为使用地点的大气压头，m Hv为流体对应温度下的饱和蒸汽压头，m 泵安装地点的海拔越高，大气压力就越低，允许吸上真空高 度就越小。 输送水的温度越高时，所对应的汽化压力就越高，水就越容 易汽化。这时，泵的允许吸上真空高度也就越小。
2、必需汽蚀余量


必需汽蚀余量Δhr ：液体在泵吸入口的能量对压力最低点 k 处静压能的富余能量，亦即泵内的压力损失。Or:单位重量 的液体从泵的吸入口流至叶轮叶片压力最低处时的压力降 低。 必需汽蚀余量Δhr与吸入系统的装臵情况无关，是由泵本身 的汽蚀性能所确定的。
ps vs2 pk hr g 2g g


汽蚀现象

如果气泡的破裂发生在流道附近，就会在流道表面形成某种 强度的高频冲蚀。冲蚀形成的水击压力可高达几百甚至上千 Mpa，冲击频率每秒几万次。 流道材料表面在水击压力的反复作用下，形成疲劳而遭到破 坏。从开始的点蚀到严重的蜂窝状空洞，最后甚至把材料壁 面蚀穿。通常把这种破坏现象称为剥蚀。 由液体中逸出的氧气等活性气体，借助汽泡凝结时放出的热 量，也会对金属起化学腐蚀（电化学腐蚀）作用。
动压头
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△ ha
△ hr
泵 吸 入 口
叶 轮 入 口
压部 力 最 低分
离心泵内的压力变化

全压头
静压头
饱和蒸汽压头
绝对压力为0 叶 轮 出 口
说明

Δha是吸入系统所提供的在泵吸入口大于饱和蒸汽压力的富余 能量。Δha越大，表示系抗汽蚀性能越好。 Δhr是液体从泵吸入口至k点的压力降，Δhr越小，则表示泵抗 汽蚀性能越好。 随流量增加，有效汽蚀余量Δha下降，必需汽蚀余量Δhr增加。
△h 有效汽蚀余量△ha：按照吸入装置所确定的汽蚀余量 必需汽蚀余量△hr：由泵本身的汽蚀性能所确定的汽蚀余量

1、有效汽蚀余量

有效汽蚀余量是指泵在吸入口处，单位重量液体所具有的超 过汽化压力pv的富余能量。即液体所具有的避免泵发生汽化 的能量。符号[NPSH]a，或Δha

有效汽蚀余量由吸入系统的装臵条件确定，与泵本身无关。
vs2 p pabm Hg Hs hw e 2g g
则有泵的几何安装高度：
如果： [Hs ] Hs则H g [H g ]
vs2 pe pabm hw 则有泵的允许几何安装高度： [ H g ] [ H s ] 2g g
2 v 如果液面压力就是大气压力，则： [ H ] [ H ] s h g s w 2g
S-S
全压头
动压头
静压头
△ ha
△ hr
饱和蒸汽压头
泵 吸 入 口
叶 轮 入 口
绝对压力为0 叶 轮 出 口
离心泵内的压力变化
必需汽蚀余量—汽蚀基本方程式
2 2 v0 w0 NPSH r hr 1 2 2g 2g
k
O
k
O
λl，λ2为压降系数 λl＝1～1.2(低比转数的泵取大值) λ2＝0.2～0.3(低比转数的泵取小值)。

卧式泵
立式泵
大型泵的几何安装高度
几何安装高度的确定

取吸水池液面为基准面，列出水面e—e和泵入口s—s断面的伯 努利方程式
2 pe ve 2 ps vs H g hw g 2g g 2g
因吸水池较大，ve 0，上式移项得：
基准面
s
Hg
2 pe ps vs hw g g 2 g
有效汽蚀余量是吸入容器中液面上的压力水头克服吸水管路 装臵中流动损失hw，并把水提高到Hg高度后，所剩余的超过 汽化压力水头的能量水头。
△ha的大小仅于吸入系统装臵情况有关，而与泵本身无关。即只 要吸入系统装臵确定，有效汽蚀余量△ha就确定。
pe pv ha H g hw g g
[ Hs ]' [ Hs ] 10.33 H abm 0.24 Hv
三、汽蚀余量
表征水泵汽蚀性能的一个参数，叫做汽蚀余量，用符号△h表示。国 外一般叫做净正吸上水头，用NPSH（Net Positive Suction Head）表示。

对同一台泵，因吸入装臵条件的改变，可能发生汽蚀。泵在运 行中是否发生汽蚀和泵的吸入装臵条件有关。 按照吸入装臵条件所确定的汽蚀余量称为有效的汽蚀余量或 称装臵汽蚀余量。 相同使用条件下某台泵会发生汽蚀，另一种型号泵可能不发生 汽蚀。泵在运行中是否发生汽蚀和泵本身的汽蚀性能也有关。 由泵本身的汽蚀性能所确定的汽蚀余量称为必需汽蚀余量或 泵的汽蚀余量。
第四章 泵的汽蚀
高明 山东大学
水的汽化

水的物理特性：水和汽可以互相转化，而温度和压力则是造 成它们转化的条件。 1 个标准大气压下的水，温度上升到 100 ℃时，就开始汽化。 但在高海拔地区呢？ 如果水温保持不变，压力降低到某一数值时，水同样也会发 生汽化（pv）。 举例：水温为20℃时，其相应的汽化压力为2.4kpa。 水在常压下，当温度达到一定值时开始沸腾——汽化。反过 来，在温度一定时，压力降低到一定程度也汽化。 生活实例：高压锅的工作原理？
讨论
vs2 [H g ] [Hs ] hw 2g

[ H s]
qV ~ [HS]
qV
工作范围
qV ~ [HS]关系曲线

为确保泵不发生汽蚀,安装时应该:Hg<[Hg]。 [Hs] 随流量的增加而降低。为了保证泵的安全运行，泵的允 许几何安装高度[Hg]的确定应按样本中最大流量所对应的 [Hs] 来计算。 vs2 和h w 为了提高泵的允许几何安装高度，应该尽量减小
几何安装高度
中 几小 何型 安卧 装式 高离 度心 泵
泵轴
液面
卧式离心泵的几何安装高度
几何安装高度
第 立 离心 。线一式 至 离 级 吸 心 工 水 泵 作 池 的 叶 液 几 轮 面 何 进 的 安 口 垂 装 边 直 的 高 距 中 度

叶轮进口边的中心线
液面
几何安装高度
高大 点型 来泵 决则 定应 几按 何叶 安轮 装入 高口 度边 最
Hg
s pe e
如吸水池液面压力就是大气压力，pe=pabm，则：
2 pabm ps vs Hg hw g g 2g
e
卧式离心泵的几何 安装高度示意图
几何安装高度的确定－［Hs］法
由定义：
p p H s abm s g g
pe p s v s2 Hg hw g g 2 g
2g
在同一流量下： •选用直径稍大的吸入管路； •吸入管段尽可能的短； •尽量减少如弯头、阀门等增加局部损失的管路附件
换算

泵 样 本 中 所 给 出 的 [ Hs] 值 是 换 算 成 大 气 压 力 为 l.013×105Pa，水温 20 ℃的常态下的数值。如泵的使用 条件与常态不同时，则应把样本中给定的 [Hs]，换算为使 用条件下的值，其换算公式为：



这种汽泡的形成、发展和破裂以致材料受到破坏的全 部过程，称为汽蚀。
汽蚀危害


1、噪声和振动
汽蚀发生时，会出现噪声和振动。汽泡破裂和高速冲击会引起严 重的噪声。由于其他来源的噪声已相当高，一般情况下，往往感 觉不到汽蚀所产生的噪声。 汽蚀过程本身是一种反复凝结、冲击的过程，伴随很大的脉动力。 如果这些脉动力的某一频率与设备的自然频率相等，就会引起强 烈的振动。
式中Hg是有正负的，图a情况为+Hg，b情况为 -Hg。 在图b情况下，且当吸入容器中的压力为汽化压力（电厂凝结水泵 和给水泵都属该情况）时，即 pe=pv 。此时： △ha= -Hg-hw
pe
Hg
pe
Hg

a 吸入液面低于基准面（+Hg） b 吸入液面高于基准（+Hg）
吸入液面与泵基准面相对位置示意图
ps vs2 pv 定义： ha g 2g g
基准面
s s e
Hg
p
e
e
有效汽蚀余量
由伯努利方程得：
pe ps vs2 H g hw g g 2g
e
基准面
s s e
Hg
p
e
pe pv 则有： ha H g hw g g


pe pv ha H g hw g g
2 2 v0 w0 hr 1 2 2g 2g
pe pv ha H g hw g g
△ ha
标志泵使用时吸入装置系统的汽蚀性能参数； 只与吸入装置系统有关，与泵本身性能无关，容易由计算确定； 在泵装置一定的条件下，△ha 随液体温度升高、流量增大而减小； 同流量下，△ha 越大，其装置汽蚀性能越好； 提高△ha 的途径：增pe；减+Hg,增- Hg ；降温减Pv； 减小hw：减小qV，但不可小至qVmin。




汽蚀现象

泵内的水在流动过程中，某一局部地区的 压力等于或低于水温所对应的汽化压力时， 水就会在该处发生汽化。 汽化发生——形成许多蒸汽与气体混合的 小汽泡——汽泡在高压区迅速凝结而破 裂——产生局部空穴——高压水以极高的 速度流向空穴——形成一个冲击力。 由于汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全 部溶解和凝结，因此，在冲击力的作用下 又分成更小的汽泡，再被高压水压缩、凝 结。如此形成多次反复。



二、吸上真空高度
定义吸上真空高度：
泵吸入口压力
pabm ps Hs g g

在泵样本中，有一项性能指标，允许吸上真空高度，用符 号[Hs]表示，这项性能指标将影响泵的几何安装高度。 几何安装高度就是根据这一数值计算确定的。

允许吸上真空高度： Hs Hs max 0.3

比转数的影响
ns=70
ns=150 ns=690
qV~H
qV~H
qV~H
qV~
qV~
qV~
qv
qv
qv
a 离心泵 b 混流泵 c 轴流泵 不同比转数泵受汽蚀影响性能曲线下降的形式
（2）比转数对汽蚀的影响

当 ns<l05 时，因汽蚀所引起的扬程曲线的断裂工况，具有急剧陡降 的形式；当 ns=150～350 时，断裂工况比较缓和；当 ns＞425 时， 在性能曲线上没有明显的汽蚀断裂点。 原因：在低比转数的离心泵中，由于叶片宽度小，流道窄且长，在发 生汽蚀后，大量汽泡很快就布满流道，影响流体的正常流动，造成断 流，致使扬程、效率急剧下降。 在比转数大的离心泵中，叶片宽度大，流道宽且短，因此汽泡发生后， 并不立即布满流道，因而对性能曲线上断裂工况点的影响就比较缓和。 在高比转数的轴流泵中，由于具有相当宽的流道，汽泡发生后，不可 能布满流道，从而不会造成断流，所以在性能曲线上，当流量增加时， 就不会出现断裂工况点。尽管如此，仍有潜伏汽蚀的存在，仍需防止。
必需汽蚀余量
泵吸入口处的压力并非泵内液体的最低压力。 因为液体从泵吸入口(s-s截面处)至叶轮进口有

压部 力 最 低分
能量损失，泵内最低压力点的位臵在叶片进口 边稍后的k点。

k
O
k
O


压降原因： s-s至k-k截面间有流动损失； 从s-s至k-k截面时，由于液体转弯等引 起绝对速度分布不均匀，导致k点流体压 力下降。 吸入管一般为收缩形，速度改变导致压 力下降。 流体进入叶轮流道时，以相对速度绕流 叶片进口边，从而引起相对速度的分布 不均匀。
（1）安装高度对汽蚀的影响

当几何安装高度为6m时，出水管阀门的开度只能开到曲线上 黑点所对应的流量。如果继续开大阀门，流量进一步有所增加 时，扬程曲线则急剧下降，这表明汽蚀已经达到使水泵不能工 作的严重程度。这一工况，称为断裂工况。

当把几何安装高度从6m增加到7m时， 断裂工况就向流量小的方向偏移，qv －H曲线上可以使用的运行范围就变 窄；几何安装高度提高到8m时，断 裂工况偏向更小的流量，泵的使用范 围就更窄。